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1、THE CYTOSKELETON,第九章 细胞骨架,成分:微丝(microfilament)、微管(microtubule)和中间纤维(intemediate filament)构成。均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起,构成纤维型多聚体。 微丝确定细胞表面特征,使细胞能够运动和收缩。 微管确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨。 中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。 其它骨架成分:核骨架、核纤层、细胞外基质。,The three types of protein,第一节 微丝 microfilament , MF,又称肌动蛋白纤维actin filament,是由两条线性排列的肌动蛋白链形
2、成的螺旋 ,形状如双线捻成的绳子,直径约7nm 。,根据等电点分为3类:分布于肌肉细胞;和分布于肌细胞和非肌细胞。 actin单体外观呈哑铃形,称球形肌动蛋白G-actin;多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin。 actin在进化上高度保守,酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有88%的同源性。 肌动蛋白要经过翻译后修饰,如N-端乙酰化或组氨酸残基的甲基化。,一、分子结构,条件:ATP、适宜的温度、存在K+和Mg2+离子。 过程:2-3个actin聚集成一个核心(核化);ATP-actin分子向核心两端加合。微丝具有极性,ATP-actin加到(+)极的速度要比加到(-)极的速度快5-10倍。 溶液中A
3、TP-肌动蛋白的浓度处于临界浓度时,ATP-肌动蛋白在(+)端添加,而从(-)端分离,表现出 “踏车”现象。,微丝的装配,Treadmilling,+,-,细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装过程中,并通过这种方式实现其功能。 细胞松弛素(cytochalasin)可切断微丝纤维,并结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上,特异性的抑制微丝功能。 鬼笔环肽(phalloidin)与微丝能够特异性的结合,使微丝纤维稳定而抑制其功能。荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。,二、微丝结合蛋白,已知的的微丝结合蛋白有100多种,分为以下类型: 1核化蛋白:使游离actin核化,开始组装,Arp
4、 2单体隐蔽蛋白:阻止游离actin向纤维添加,thymosin 3封端蛋白:使纤维稳定,Cap Z 4单体聚合蛋白:将结合的单体安装到纤维,profilin 5微丝解聚蛋白:使微丝去组装,cofilin 6交联蛋白:fimbrin 7纤维切断蛋白:将微丝切断,gelsolin 8膜结合蛋白:vinculin,核化蛋白,三、肌肉的组成,由肌原纤维组成,肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝,粗肌丝主要成分是肌球蛋白,细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。 肌肉收缩的基本单位是肌小节(sarcomere)。肌小节是相邻两Z线间的单位。主要结构有: A带(暗带):为粗肌丝所在。 H区:A带中央色浅
5、部份,此处只有粗肌丝。 I带(明带):只含细肌丝部分。 Z线:细肌丝一端游离,一端附于Z线 。,Sarcomere,(一)肌球蛋白(myosin),属于马达蛋白,趋向微丝的(+)极。 已知15类(myosin I-XV)。 Myosin II构成粗肌丝。由2个重链和4个轻链组成,外观具有两个球形的头和一个螺旋化的干,头部有ATP酶活性。 Myosin V结构类似myosin II,但重链有球形尾部。 Myosin I 由一个重链和两个轻链组成。 Myosin I、II、V都存在于非肌细胞中,II型参与形成应力纤维和胞质收缩环,I、V型结合在膜上与膜泡运输有关 。,Myosin II struc
6、ture,Two heavy chains, two essential light chains, and two regulatory light chains Heavy chain has head domain, neck region, and tail domain,(二)原肌球蛋白(tropomyosin.Tm) 每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白,呈长杆状。组成两条平行纤维,位于肌动蛋白双螺旋的沟中,主要作用是加强和稳定肌动蛋白丝,抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合。 (三)肌钙蛋白(troponin,Tn), 含三个亚基,肌钙蛋白C特异地与钙结合,肌钙蛋白T与原肌球蛋白有高度亲和力,
7、肌钙蛋白I抑制肌球蛋白的ATP酶活性,主要作用是调节肌肉收缩。,Tropomyosin, actin and troponin,(四)肌肉的收缩,肌球蛋白结合ATP,引起头部与肌动蛋白纤维分离; ATP水解,引起头部与肌动蛋白弱结合;,Myosin movement (continued),Pi释放,头部与肌动蛋白强结合,头部向M线方向弯曲,引起细肌丝向M线移动; ADP释放ATP结合上去,头部与肌动蛋白纤维分离。 如此循环,四、微丝的功能,微丝除参与形成肌原纤维外还具有以下功能: 1形成应力纤维(stress fiber):结构类似肌原纤维,使细胞具有抗剪切力。,培养的上皮细胞中的应力纤维(
8、微丝红色、微管绿色),2形成微绒毛。 3细胞的变形运动。,4. 胞质分裂; 5. 顶体反应; 6. 其他功能:抑制微丝的药物(细胞松弛素)可增强膜的流动、破坏胞质环流。,第二节 微管 Microtubule, MT,微管在胞质中形成网络结构,作为运输路轨并起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构,对低温、高压和秋水仙素敏感。,A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red),微管是由13条原纤维构成的中空管状结构,直径22
9、25nm。 每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成 微管蛋白二聚体由结构相似的和球蛋白构成。 球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换。 球蛋白也是一种 G蛋白,结合的GTP可发生水解,结合的GDP可交换为GTP。,一、分子结构,微管具有极性,(+)极生长速度快,(-)极生长速度慢。 (+)极的最外端是球蛋白,(-)极的最外端是球蛋白。 微管和微丝一样具有踏车行为。 微管形成的有些结构是比较稳定,是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。如轴突、纤毛、鞭毛。 大多数微管处于动态组装和去组装状态(如纺锤体)。 秋水仙素、长春花碱抑制微管装配。 紫杉酚能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。,The
10、 function of GTP-tubulin cap,GTP hydrolysis is not required for microtubule assembly,WHY?,Microtubule disassemble when ADP-tubulin are exposed,MAP分子至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域。突出部位伸到微管外与其它细胞组分(如微管束、中间纤维、质膜)结合。 主要功能:促进微管组装。增加微管稳定性。促进微管聚集成束。,二、微管结合蛋白 microtubule associated proteins MAPs,三、微管组织中心 microtu
11、bule organizing center, MTOCs,是微管进行组装的区域,都具有微管球蛋白 ,如:中心体、鞭毛基体。,中心体由两个相互垂直的中心粒构成。周围是一些无定形物质,叫做外中心粒物质(PCM)。 中心粒由9组3联微管构成,具有召集PCM的作用。 MTOC处微管蛋白以环状的球蛋白复合体为模板核化、先组装出(-)极,然后开始生长。 提纯的微管,在微酸性环境,适宜的温度,存在GTP、Mg2+和去除Ca2+的条件下能自发的组装成11条原纤维的微管。,The Orientation of Microtubules in a Cell,五、微管的功能,1、支架作用,2、细胞内运输 是胞内物
12、质运输的路轨。 涉及两大类马达蛋白:驱动蛋白kinesin,动力蛋白dyenin,均需ATP供能。 Kinesin发现于1985年,是由两条轻链和两条重链构成的四聚体 ,能向着微管(+)极运输小泡 。,Kinesin walk along microtubule towards plus end,Dynein发现于1963年,因与鞭毛和纤毛的运动有关而得名。 由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成。 作用:在细胞分裂中推动染色体的分离、驱动鞭毛的运动、向着微管(-)极运输小泡。,3、形成纺锤体 在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。,纤毛与鞭毛是相似的两种细胞外长物,前者较短。 结构
13、: 由基体和鞭杆两部分构成。 鞭毛中的微管为9+2结构。 二联微管A管由13条原纤维组成,B管由10条原纤维组成。 A管向相邻B管伸出两条动力蛋白臂,并向鞭毛中央发出一条辐。 基体的微管组成为9+0。 鞭毛运动原理:动力蛋白臂的dynein水解ATP作功,使相邻的二联微管相互滑动。,第三节 中间纤维 intermediate filaments,IF,直径10nm左右,介于微丝和微管之间,故名。 IF是最稳定的细胞骨架成分,主要起支撑作用。 IF在细胞中围绕着细胞核分布,成束成网,并扩展到细胞质膜,与质膜相连结。,Keratin filaments of epithelial cells ar
14、e tightly anchored to the plasmamembranes at desmosmes and hemidesmosomes,分为5类:角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。 具有组织特异性,不同类型细胞含有不同IF。 通常一种细胞含有一种中间纤维,少数含有2种以上。 肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。,一、类 型,(一)角蛋白keratin 为表皮细胞特有,具有和两类,角蛋白存在于细胞中,角蛋白形成头发、指甲等坚韧结构。 分为:酸性角蛋白(I型)、中性或碱性角蛋白(II型)。组装时首先由I型和II型组成异二聚体,再形成中间纤维。 (二)结蛋白d
15、esmin 又称骨骼蛋白skeletin,存在于肌肉细胞中,主要功能是使肌纤维连在一起。,(三)、胶质原纤维酸性蛋白glial fibrillary acidic protein 存在于星形神经胶质细胞和许旺细胞。起支撑作用。 (四)、波形纤维蛋白vimentin 存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞中。 (五)、神经纤丝蛋白neurofilament protein 是由三种分子量不同的多肽组成的异聚体,功能是提供弹性使神经纤维易于伸展和防止断裂。,二、结构与装配,(一)结构 由螺旋化杆状区,以及两端非螺旋化的球形头(N端)尾(C端)部构成。 杆状区高度保守,由螺旋1和螺旋2构成,每个螺旋区还分为A、B两个亚区。,intemediate filaments,IF,(二)IF的装配,过程: 两个单体形成超螺旋二聚体(角蛋白为异二聚体); 两个二聚体反向平行组装成四聚体; 四聚体组成原纤维; 4根原纤维组成中间纤维。 特点: IF没有极性;无动态蛋白库;装配与温度和蛋白浓度无关;不需要ATP、GTP或结合蛋白的辅助。,功能: 使中间纤维交联成束、成网, 把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上 已知的IFAPs约15种左右,分别与特定的中间纤维结合,如:flanggrin、Plectin、Ankyrin 特点:具有细胞特异性,三、IF的结合蛋白 IFAP,胞质骨架三种组分的比较,